三江平原淡水沼泽湿地及垦殖农业利用下co

三江平原淡水沼泽湿地及垦殖农业利用下co

陆地生态系统的碳循环和储量变化与当地气候条件密切相关。土地利用模式对全球碳环的影响是迄今为止的国际研究热点之一。三江平原是中国淡水沼泽湿地面积分布最大的地区,也是近50年来湿地垦殖面积最大的地区。湿地开垦为农田后,植物残体及沉积有机质分解速率提高,碳的释放量增加。湿地生境是大气CH4主要的自然来源,据估计,天然湿地每年向大气中排放的CH4占全球CH4排放总量的15%~30%。湿地在全球分布面积的变化,特别是湿地排水开垦和世界水稻种植面积的增加可能与大气中CH4的增加有关。同时湿地常年积水或季节性干湿交替的环境条件为氮素的硝化和反硝化作用提供了重要反应条件,其作用强弱影响N2O的产生和排放。三江平原人类活动主要表现为湿地的大面积垦殖、湿地的疏排水引起沼泽湿地水分条件发生较大的变化,湿地类型由常年积水的沼泽湿地向沼泽化草甸和草甸權丛演化。本文通过2003年4~9月份对三江平原三种类型沼泽湿地及垦殖后农田土壤温室气体排放的定位观测,对不同水分条件的沼泽湿地及垦殖后温室气体排放特征进行研究,以认识人类活动对三江平原温室气体排放的影响,为进一步揭示三江平原湿地大面积垦殖所产生的环境问题提供基础资料。1气体检测点和样品采集试验布置在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽湿地综合观测场和农田综合观测场内。在试验场选取有代表性的常年积水沼泽湿地、沼泽化草甸、草甸灌丛和垦殖7年后旱田,采用遮光密闭箱采样/气相色谱分析方法进行观测。野外共布置4个土壤呼吸、CH4、N2O通量观测点,3个植物-土壤呼吸观测点,每个观测点设3个重复,土壤呼吸观测点在观测前2~3小时,剔除地表植物,通量观测结束后,将所剔除的地表植物归还观测点。样品采集利用不透明箱,在30分钟时间内,用100ml针管采集4次气体样品,24小时内在实验室用HP4890气相色谱仪同时测定CO2、CH4和N2O浓度。CO2和CH4采用单阀单柱进样、分离系统,共用同一个离子火焰化检测器(FID),N2O采用单阀单柱进样,用电子捕获检测器(ECD)进行检测。测量所得的通量数据,只有当回归系数R2>0.95时,才视为有效数据,样品采集过程中,为防止扰动,在观测点附近架设栈桥。在气体样品采集的时候,同步观测大气温度、土壤温度等环境要素。2结果与讨论2.1土壤呼吸对温度的变化三江平原沼泽湿地垦殖后,植物生长季根层土壤平均温度高于天然湿地3~4℃,冻土层融通时间提前55~62天,土壤温度的升高和土壤水分条件的变化对土壤有机质的积累和分解将产生重要影响。图1反映了不同水分梯度下及垦殖后农田土壤呼吸速率的变化,三江平原不同类型湿地土壤呼吸强度以季节性积水的小叶章草甸最大,其次为草甸灌丛土壤,垦殖后农田土壤呼吸通量明显增大,常年积水的毛果苔草沼泽湿地土壤呼吸强度最小。土壤水分梯度变化及土壤新的碳输入条件是温度驱动下土壤呼吸变化的重要影响因素,毛果苔果沼泽湿地处于常年积水环境下,土壤有机质的分解率低,生产力(790.5±77.3g/m2)小于小叶章(909.2±79.1g/m2)。且受地表积水的影响,土壤热通量相对较小,土壤呼吸综合反映了植物根和土壤微生物的活性及土壤中碳的代谢作用等,而土壤呼吸与新碳输入与固定有关,沼泽湿地垦殖后由于土壤分解率增大,土壤热通量值较高,因此土壤呼吸通量增大。三江平原沼泽湿地及垦殖后农田土壤呼吸速率都表现出明显的季节性变化(图1),这主要与植物的生长状况和土壤温度的变化有关,表1综合反映了土壤呼吸与温度间存在显著的正相关关系。8月份是农作物的主生长季,地下生物量最大,因此土壤呼吸通量最大;6~7月份沼泽湿地植物相对生率最大,因此土壤呼吸强度最大;8月中旬相对生长率降低,土壤呼吸强度明显减小,这与垦殖后农田土壤存在着明显的差异,常年积水沼泽因受地表积水条件的影响,土壤呼吸与温度间的相关关系不显著。土壤呼吸同时受植物生长的影响,如小叶章草甸植物-土壤系统呼吸强度变化与土壤呼吸速率变化趋势相近(图2),7月份植物相对生长率最快时期呼吸通量最大,这也说明了植物生长状况对土壤呼吸的决定作用。2.2湿地植物ch4排放与植物-土壤系统的氧化作用CH4的产生与排放受有机物质矿化、土壤呼吸与热传导过程等综合作用控制,三江平原沼泽湿地从常年积水沼泽→季节性积水沼泽化草甸→草甸+灌丛→垦殖后旱田,随土壤水分降低湿地CH4通量值产生较大的变化(表2),表现为随着土壤水分的降低土壤CH4排放显著减少,5~7月份沼泽湿地及沼泽化草甸CH4排放通量最大,这种在时间和空间上的变化与CH4产生、氧化和迁移过程有关。土壤温度是厌氧环境下CH4排放的重要控制因子,土壤温度与CH4排放正相关。土壤水分含量是决定土壤为排放者还是吸收者的决定因素,因为它直接影响氧的可利用率、气体的扩散率及微生物的活性,水分饱和土壤一般排放CH4,除非上覆有氧化土壤层,在此氧化层CH4被氧化消耗。非饱和土壤层厚度的增加与CH4的排放负相关,沼泽湿地垦殖后,由于排水疏干,土壤只有在冻融期(4月)和雨季降水后土壤出现过饱和状态时,有CH4的排放,且通量值很小。与CO2相比,CH4的产生在时空两方面更易变化。随地表积水和土壤水分条件的变化,三江平原湿地植物优势群落的演替序列为:漂筏苔草→毛果苔草→毛果苔草+乌拉苔草→毛果苔草+狭叶甜茅→狭叶甜茅+小叶章→小叶章→小叶章+杂草→小叶章+灌丛→灌丛,CH4释放随着这种变化表现出一定的空间分异规律。CH4排放率与湿地植物类型有较大的相关性,同时,植物生长状况对CH4排放也最有重要影响,CH4排放与植物-土壤系统CO2排放呈显著正相关关系(图3)。同时,CH4从根层以上土壤层中的迁移,受植物生长状态、根层深度及植物传导气体的效率,根际氧化作用仅发生在生长季。植物对气体的传导效率影响根际CH4的氧化作用和排放通量,当水位下降时,由于氧化层增大,土壤中氧化作用增强,导致CH4排放量减少,同时水位降低,根际氧化作用减弱。研究表明,在植物生长季,水位降低15cm,将导致土壤中CH4氧化作用增25%;如果水位高于土壤表面,CH4在根际的氧化率低而具有较高的排放通量。CH4在土壤氧化层及根际的氧化,消耗了所产生CH4的大部分,而这种氧化作用受水位位置和植物传导CH4的效率,因此,这种氧化作用随植物生长季而变化。当然,温度、水位位置及植物等这些控制因子对CH4排放的影响不是互相独立的,当土壤处于水分饱和状态时,CH4排放随温度变化而发生变化,但当水位降低于土壤表层时,CH4的排放由水位位置决定。因此,控制因子间的相对重要性取决于当时湿地的状况,不同因子的作用在不同时间和地点存在着差异。2.3垦殖后叶片no的变化土壤中N2O的产生和排放主要来源于N的硝化和反硝化过程,三江平原沼泽湿地垦殖后,土壤N2O排放通量明显增大(表3),N2O排放特征与CH4有较大的差异,表现为由常年积水沼泽→季节性积水沼泽化草甸→灌丛→垦殖后旱田随水分梯度降低,土壤N2O排放通量呈增大趋势,积水沼泽湿地在植物生长季N2O排放通量值很小,而土壤水分常年处于非饱和的草甸灌丛土壤N2O排放相对较高,垦殖后农田土壤N2O排放通量最大。但无论沼泽湿地土壤还是垦殖后旱田土壤,在植物生长季都是N2O的源,且灌丛土壤和垦殖后旱田土壤8月份N2O排放通量最大,土壤融冻期(5月)常年积水的毛果苔草沼泽湿地土壤表现出N2O的排放峰值。沼泽湿地垦殖后N2O排放通量增大与化学肥料的施用有关,化学肥料的施用促进N2O产生和排放,NH4NO3的输入(生长季)导致N2O排放量的明显增大,土壤中活性N部分是N2O产生的主要源。同时,湿地垦殖后土壤温度增高将促进N的利用率,有利于硝化和反硝化作用的发生,对N2O排放也具有重要影响。三江平原沼泽湿地土壤N2O排放通量与土壤温度呈正相关关系(图4),表明沼泽湿地N2O的产生和排放受土壤温度的影响,而湿地垦殖后土壤N2O排放与温度的相关关系不显著。3不同类型沼泽湿地对ch4和no的排放影响三江平原目前天然沼泽湿地面积只有20世纪50年代初的20%左右,湿地大面积垦殖引起一系列的环境问题,其中对温室气体排放也产生较大的影响,通过对不同水分条件的沼泽湿地及垦殖后温室气体排放野外定位观测研究,有如下几方面的认识:1)三江平原不同水分条件的沼泽湿地,土壤呼吸强度以季节性性积水的小叶章草甸最大,常年积水的毛果苔草沼泽土壤呼吸强度最小,湿地垦殖后土壤速率增大,土壤水分梯度变化及土壤新的碳输入条件是温度驱动下土壤呼吸变化的重要影响因素。2)不同类型沼泽湿地CH4排放在时空两个方面都表现明显的变化,这种变化与土壤水分条件、植物群落类型和生长状况有密切关系,植物-土壤系统C